一種高硼鑄造合金軋輥及其制造方法

專利名稱：：一種高硼鑄造合金軋輥及其制造方法
技術領域：
：本發明屬于軋鋼
技術領域：
，具體涉及一種鑄造軋輥及其制造方法，特別涉及一種高硼鑄造合金軋輥及其制造方法。
背景技術：
：軋輥材料的發展和選用，主要著眼于提高輥身的耐磨性能，在軋輥輥身表面的金相組織中形成較硬的碳化物。早期使用的冷硬鑄鐵軋輥以M3C型碳化物為主，如Fe《等。后來加入合金元素鉻發展起來的高鉻鑄鐵軋輥，碳化物形態有所變化，以M^型為主，如Cr^等。目前正在迅速推廣的高速鋼復合軋輥，在使用狀態下，軋輥表面層的金相組織主要由MC、MX型碳化物以及在高溫下有較高硬度的基體組織構成，因此具有優異的耐磨性。早期使用的冷硬鑄鐵軋輥，硬度低，硬化層薄，軋輥耐磨性差，使用壽命短，需要頻繁更換，降低了軋機作業率。在冷硬鑄鐵基礎上發展起來的高鎳鉻無限冷硬鑄鐵軋輥，盡管耐磨性有明顯改善，但軋輥脆性大，鑄造和使用中易開裂，甚至出現剝落，且含有較多價格昂貴的合金元素，導致軋輥生產成本增加。高鉻鑄鐵軋輥和高速鋼軋輥盡管耐磨性好，但都含有較多的合金元素，導致軋輥生產成本增加。硼是一種能顯著改善耐磨材料淬透性和淬硬性的合金元素，我國硼儲量豐富，且價格低廉，硼在耐磨材料領域已獲得了較好的應用。中國發明專利CN1037548公開了一種低鉻硼多元合金耐磨鑄鐵，其化學成分(重量％)為C:1.75~3.0，Cr:1.5~4.0，B:0.07~0.4，Mo:0.2~1.0，CuO.8~1.3Mn:0.4~0.8，Si:0.4~1.2,P《0.08，S:《0.08，ReO.01~0.05,余量為Fe。硼的加入使低鉻鑄鐵硬度增加，耐磨性改善。中國發明專利CN1083540也公開了一種稀土硼多元合金耐磨鑄鐵。其化學成分(重量％)為C:3.00~3.70，B:0.05~0.30，Mn:0.40~1.50,Si:0.55~1.00，Mo:0~0.50,Cu:0~1.00，P<0.07,S<0.07，Re:0.01~0.05，余量為Fe。硼的加入也使耐磨鑄鐵硬度增加，耐磨性改善。中國發明專利CN1506487還公開了一種多元合金鑄鐵，其中，所述的鑄鐵中含有碳、鉻、硼、鉬、銅、錳、磷等，其中，所述的碳元素占所述的合金的重量百分比為1.5-3.5%、所述的鉻元素占所述的合金的重量百分比為1.0-4.0%、所述的硼元素占所述的合金的重量百分比為0.1-0.5%、所述的鉬元素占所述的合金的重量百分比為0.25-1.0%、所述的銅元素占所述的合金的重量百分比為0.8-1.25、所述的錳元素占所述的合金的重量百分比為0.4-0.6%、所述的磷元素占所述的合金的重量百分比為0.45-0.85%,余量為鐵元素。該發明因硼的加入，降低了耐磨鑄鐵中的鉻含量，其綜合性能遠遠超出高錳鋼，性能相當于高鉻鋼耐磨鑄件。硼應用于軋輥中，對改善軋輥耐磨性，也具有較好的效果。中國發明專利CN1598030公開了改進的軋輥用鎳鉻鉬無限冷硬鑄鐵及復合軋輥，其特征是在鎳鉻鉬無限冷硬鑄鐵(IV)成分中添加有0.03-0.1%(wt)的硼和0.2-1.5%的鈮。由于添加了硼和鈮，使材料的耐磨性和抗熱裂紋性能得到顯著提高。中國發明專利CN101240402也公開了一種用于制作復合輥環軋輥用鑄造高硼高速鋼及其熱處理方法，其化學成分設計為(重量％):0.20-1.10C，1.0—2.5B,3.0—5.OCr，0.5-0.9Si，0.6-1.3Mn，2.0—10.OV,0.5-L5Ni，1.0-4.畫o，0.2-4.0W，0.1-2.0Nb，S復04，P<0.04，其余為Fe;它的熱處理方法包括退火，淬火和2-3次回火，退火加熱溫度為800-860°C，爐冷至小于500。C后爐冷或空冷；淬火加熱溫度為1020-115(TC,隨后風冷或空冷；回火2-3次，加熱溫度500-55(TC,隨后爐冷或空冷。與傳統高鎳鉻鉬軋輥相比，大幅提高合金耐磨性、耐熱性、抗熱沖擊性，減少軋輥在使用過程中出現的熱疲勞裂紋現象及由此產生的掉肉、崩裂，體現出良好的安全性與耐磨性的有機結合。日本專利JP2000144302-A公開了一種含硼鑄造軋輥的化學組成(質量％):2.3-3.0C，2.0-3.0Si,0.1-2.0Mn,0.5-3,0Cr，1.5-5.0Mo,7.0-10.0Ni，0.5-3.0Nb,1.0-5.0V,0.05-0.08B,硼的加入有利于提高軋輥耐磨性。日本專利JP2003105483-A還公開了一種含硼鑄造軋輥的化學組成(質量％):2-4C，0.5-2Si，0.2-2Mn:2-6Ni，l-4Cr，0.3-4M。，0.1-2V,0.1-lTi，0.2-2.5(W+Nb+B+RE)，硼的加入也有利于提高軋輥耐磨性。但是，上述含硼軋輥中都含有較多價格昂貴的合金元素，軋輥生產成本高，推廣應用困難。
發明內容本發明目的是提供一種以硼為主要合金元素，不含鎳、鉬、鈷等昂貴合金元素的高硼鑄造合金軋輥及其制造方法，為了提高軋輥的抗氧化能力，軋輥中還加入了較多的鉻元素，為了提高軋輥的抗高溫性能，還加入適量鎢元素，為了改善硼化物形態，還加入了適量鈦元素，為了細化和凈化凝固組織，軋輥中還加入了少量稀土和氮元素，為了獲得致密的軋輥組織，高硼鑄造合金軋輥外層采用離心鑄造方法成形，輥芯采用球墨鑄鐵，并以頂注方法澆注成形。本發明的目的通過以下措施實現本發明所提供的高硼鑄造合金軋輥，外層采用高硼鑄造合金，軋輥輥芯采用球墨鑄鐵，外層和輥芯通過離心復合鑄造方法成形；外層的化學組成及其質量百分含量(％)為C0.8~1.5、B1.0~2.8、Cr8.0~10.0、W1.5~3.0、Ti0.6~1.2、N0.08~0.15、Ce0.08~0.18,Si0.3~0.8，Mn0.4~0,8，S<0.04，P<0.05，余量為Fe，其中2.2《B+C《3.7。本發明所提供的高硼鑄造合金軋輥的制造方法，包括以下步驟①將普通廢鋼、鉻鐵、生鐵和鎢鐵混合加熱熔化，鋼水熔清后加入硅鐵和錳鐵；②爐前調整成分合格后，將溫度升至1520~1550°C,加入占上述鋼水質量0.08~0.12°/的鋁脫氧，而后依次加入鈦鐵和硼鐵，當鋼水溫度達到1560~1580。C時出爐；③將鈰基稀土和含氮鉻鐵破碎至粒度8~15mm的小塊，經160~200r烘干后，置于澆包底部，用包內沖入法對鋼水進行復合變質處理；④用離心鑄造機澆注軋輥外層，外層鋼水淺注溫度為1440146(TC，當軋輥外層完全凝固，且軋輥外層內表面溫度低于固相線溫度8~18°C時，澆注輥芯球墨鑄鐵，輥芯球鐵洗注溫度為1340~1370°C;⑤軋輥澆注12~24小時后拆箱，然后置于緩冷坑，冷卻至室溫后切割澆冒口，清理殘才艮、飛邊、毛刺后粗加工；將粗加工后的軋輥加熱至980~1050°C，保溫410小時后風冷至200。C以下，隨后繼續加熱至250~280°C,保溫8~12小時，然后爐冷至150。C以下，繼續空冷至室溫后，精加工至規定尺寸和精度，得到高硼鑄造6合金軋輥。高硼鑄造合金軋輥的性能是由金相組織決定的，而一定的組織取決于化學成分及熱處理工藝，本發明軋輥外層化學成分是這樣確定的碳將碳加入軋輥中的主要目的有二，其一是與合金元素鉻結合，形成碳化物，改善軋輥耐磨性，其二是進入基體，提高軋輥淬透性和淬硬性，但碳含量過高，軋輥脆性大，且熱疲勞抗力差，禮輥使用壽命反而縮短，合適的碳含量宜控制在0.8~1.5%。硼硼是我國富有的元素，價格低而且穩定，在普通鋼鐵材料中，加入適量硼，通過調節合金中硼含量和碳含量，可以實現對硼化物體積百分數及基體含碳量的控制，使材料具有優異的耐磨性和強韌性。由Fe-B-C合金相圖可知，Fe-B-C合金的凝固過程不同于普通碳鋼，由于Fe-B-C合金中硼含量高，凝固過程發生了如下反應<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>式(1)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>式(2)Fe-b-C合金凝固過程是首先從液相(Z)中析出初晶k，由于Cr、b等元素在k相的分配系數小于1，因此隨后k一邊向液相中排出Cr、b等元素，一邊長大。當b含量接近3.8%左右時，在和k初晶相接的富集Cr、b的殘留液相中發生K+硼化物的共晶反應，易生成硬度高、熱穩定性好的Fe2(B，C)硼化物，基體組織是鐵素體、珠光體和少量馬氏體，它們是由初生奧氏體和共晶奧氏體在凝固冷卻過程中轉變而成。另外，部分硼進入基體，提高基體淬透性和淬硬性，有利于軋輥使用壽命的延長。但是，Fe2(B,C)硼化物沿晶界呈網狀分布，因此軋輥中硼含量過高，軋輥脆性大，合適的硼加入量為1.0~2.8%,且2.2%《B+C《3.7%。鉻軋輥中加入鉻主要是為了提高軋輥的淬透性和高溫下的抗氧化性，另外，與碳、硼結合生成的Cr7(C,B)3和Cr23(C,B)6型碳、硼化合物，具有較高的硬度，對改善軋輥耐磨性有利，但鉻加入量過多，Cr/C比過高，不能得到高硬度的Cr7(C，Bh型碳、硼化合物，反而不利于改善軋輥耐磨性，合適的鉻含量為8.0~10.0%。鴒將鴒加入軋輥中能提高軋輥的淬透性、抗回火穩定性，改善軋輥的抗高溫性能，但加入較多的鎢，將增加軋輥生產成本，合適的鴒加入量為1.5~3.0%。鈦Fe-B-C鑄造合金中加入鈦元素后，易生成高硬度的TiB2，呈斷網狀分布，克服了Fe2B硼化物沿晶界呈網狀分布的不足，對改善軋輥強度和韌性有利，合適的鈦加入量為0.6~1.2%。氮和鈰高硼鑄造合金經氮和鈰復合變質處理后，組織明顯細化，硼化物中出現了多處明顯頸縮和斷網現象。盡管硼化物網狀分布特征依然存在，但硼化物大量頸縮和斷網的出現，將會有利于隨后熱處理時硼化物形態的進一步改善。氮和鈰改善高硼鑄造合金凝固組織的主要原因是稀土鈰的熔點低，原子半徑大，其中re。=0.182nm,在合金凝固過程中是強成分過冷元素，由于其平4軒常數K。遠小于1，在凝固過程中將發生嚴重偏析，通過溶質再分配而富集在初生奧氏體生長前沿的熔體中，造成較大的成分過冷，有利于奧氏體枝晶的多次分枝及枝晶間距的降低，細化奧氏體枝晶。由于奧氏體枝晶的細化，在凝固后期，奧氏體枝晶間由于偏析而形成的共晶液相熔池變小，從而使共晶硼化物細化。稀土鈰還可以明顯降低金屬熔體中的S、0含量，增加共晶凝固的過冷度，使共晶組織細化。另外，在合金熔液冷卻過程中，TiN和稀土的辟^氧化合物CeAS首先從熔液中結晶出來，TiN和Ce202S具有4艮高的熔點，TiN炫點為2950°C，Ce202S的熔點為1640°C,根據錯配度理論，高熔點化合物能否成為新結晶相的非自發晶核，可用兩相晶格間的錯配度來判定，即<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>式中(5—錯配度，"c一化合物低指數面的點陣間距，"w—新結晶相低指數面的點陣間距。5值越小，兩相匹配愈好，化合物越易成為非自發晶核。由于稀土硫氧化物及TiN與y-Fe晶格間具有很低的錯配度，例如Ce202s、TiN與Y相的錯配度分別為5.0°/。和3.9%。而兩相錯配度小于12°/時，高熔點的化合物相能作為非自發核心，促進形核，使鑄態組織細化，而且，錯配度越小，效果越明顯。稀土硫氧化物和TiN與高溫y晶格具有很低的錯配度，同時又具有很高的熔點，因此強烈的促進形核，可成為結晶核心，使鑄態晶粒細化。另外，稀土鈰是表面活性元素，凝固過程中易富集在硼化物的周圍，阻止硼化物沿晶界長大，使硼化物細化，有利于高硼鑄造合金軋輥強度和韌性的提高，合適的氮加入量為0.08~0.15%,合適的鈰加入量為0.08~0.18%硅和錳加入適量硅和錳具有脫氧作用，但硅的加入使基體熱疲勞性能下降，且錳的加入使軋輥組織粗化，因此將硅含量控制在0.3~0.8%、錳含量控制在0.4~0.8%。硫和磷不可避免的雜質元素硫和磷是從原料中帶來的，對軋輥的性能，特別是強度和韌性有害，因此其含量應嚴格控制，其中硫含量控制在O.04%以下，石粦含控制在0.05%以下。本發明軋輥與現有技術相比，具有以下優點1)本發明軋輥以廉價的硼為主要合金元素，并加入鉻、鴒、鈦等元素改善軋輥組織和性能，不含價格昂貴的鎳、鉬、釩、鈮等合金元素，具有較低的生產成本。2)本發明軋輥含有硬度高、熱穩定性好的硼化物，具有較高的硬度和較好的耐磨性，其中石更度達到62~64HRC。3)本發明軋輥碳含量較低，具有較好的抗熱疲勞性能。4)本發明軋輥鑄態硬度較低，具有較好的機械加工性能，可以不經退火直接粗加工。5)本發明軋輥用于棒、線材軋機的成品機架，單槽軋制量是貝氏體球鐵軋輥的4倍以上；用于成品機架軋制帶肋鋼筋，單槽軋制量是貝氏體球鐵軋輥的3倍以上；用于預切分機架時，單槽軋制量是貝氏體球鐵軋輥的3.5倍以上，同時減少了換輥次數，延長了軋制時間，降低了軋材生產成本。下面結合具體實施方式對本發明作進一步詳述。具體實施方式實施例1:下①將普通廢鋼、鉻鐵、生鐵和鎢鐵混合加熱熔化，鋼水熔清后加入硅鐵和錳鐵；10②爐前調整成分合格后，將溫度升至1549°C，加入占上述鋼水質量0.10%的鋁脫氧，而后依次加入鈥鐵和硼鐵，當鋼水溫度達到1577。C時出爐；③將鈰基稀土和含氮鉻鐵破碎至粒度815鵬的小塊，經16(TC烘干后，置于澆包底部，用包內沖入法對鋼水進行復合變質處理；④用離心鑄造^^幾澆注軋輥外層，外層鋼水澆注溫度為145rC，當軋輥外層完全凝固，且軋輥外層內表面溫度低于固相線溫度818。C時，澆注輥芯球墨鑄鐵，輥芯球鐵澆注溫度為1343°C;軋輥澆注12小時后拆箱，然后置于緩冷坑，冷卻至室溫后切割淺冒口，清理殘才艮、飛邊、毛刺后粗加工；粗加工后的軋輥加熱至1050°C，保溫4小時后風冷至20(TC以下，隨后繼續加熱至25(TC,保溫12小時，然后爐冷至15(TC以下，繼續空冷至室溫后，精加工至規定尺寸和精度。軋輥外層成分見表l,軋輥外層力學性能見表2。化學組成cBCrWTiN含量0.822.779.191.531.190.08化學組成CeSiMnSPFe含量0.170.630.720.0230.040余量表1軋輥外層成分(質量分數，％)硬度ZHRC沖擊韌性Z(J.cm—2)抗彎強度ZMPa63.611.51872.2表2軋輥外層力學性能實施例2:用100Q公斤堿性中頻感應電爐熔煉高硼鑄造合金軋輥，具體工藝步驟如下①將普通廢鋼、鉻鐵、生鐵和鴒鐵混合加熱熔化，鋼水熔清后加入硅鐵和錳鐵；②爐前調整成分合格后將溫度升至152(TC，加入占上述鋼水質量0.08%的鋁脫氧，而后依次加入4太鐵和硼鐵，當鋼水溫度達到1566。C時出爐；③將鈰基稀土和含氮鉻鐵破碎至粒度8~15,的小塊，經20(TC烘干后，置于澆包底部，用包內沖入法對鋼水進行復合變質處理；④用離心鑄造機澆注軋輥外層，外層鋼水澆注溫度為1442°C，當軋輥外層完全凝固，且軋輥外層內表面溫度低于固相線溫度818。C時，澆注輥芯球墨鑄鐵，輥芯球鐵澆注溫度為1369°C;⑤軋輥澆注24小時后拆箱，然后置于緩冷坑，冷卻至室溫后切割澆冒口，清理殘根、飛邊、毛剌后粗加工；粗加工后的軋輥加熱至980°C,保溫10小時后風冷至20(TC以下，隨后繼續加熱至280°C，保溫9小時，然后爐冷至15(TC以下，繼續空冷至室溫后，精加工至規定尺寸和精度。軋輥外層成分見表3，軋輥外層力學性能見表4。<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表3軋輥外層成分(質量分數，％)12硬度/HRC沖擊韌性/(J.cm—2)抗彎強度/MPa62.712.81845.9表4軋輥外層力學性能實施例3:用1000公斤堿性中頻感應電爐熔煉高硼鑄造合金軋輥，具體工藝步驟如下①將普通廢鋼、鉻鐵、生鐵和鉤鐵混合加熱熔化，鋼水熔清后加入硅鐵和錳鐵；②爐前調整成分合格后將溫度升至1538°C,加入占上述鋼水質量0.12%的鋁脫氧，而后依次加入鈦鐵和硼鐵，當鋼水溫度達到1573。C時出爐；③將鈰基稀土和含氮鉻鐵破碎至粒度8~15mm的小塊，經18(TC烘干后，置于澆包底部，用包內沖入法對鋼水進行復合變質處理；④用離心鑄造機澆注軋輥外層，外層鋼水澆注溫度為H57。C,當軋輥外層完全凝固，且軋輥外層內表面溫度低于固相線溫度818。C時，澆注輥芯球墨鑄鐵，輥芯球鐵澆注溫度為1352°C;軋輥澆注18小時后拆箱，然后置于緩冷坑，冷卻至室溫后切割澆冒口，清理殘根、飛邊、毛刺后粗加工；粗加工后的軋輥加熱至102(TC，保溫6小時后風冷至20(TC以下，隨后繼續加熱至260°C,保溫10小時，然后爐冷至150。C以下，繼續空冷至室溫后，精加工至規定尺寸和精度。軋輥外層成分見表5，軋輥外層力學性能見表6。13<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>表6軋輥外層力學性能本發明軋輥因具有較高的硬度和強度，較好的韌性和抗熱疲勞性能，已成功應用于熱軋生產中，將其應用于棒、線材軋機的成品機架，單槽軋制量比貝氏體球鐵軋輥提高3倍以上；用于成品機架軋制帶肋鋼筋，單槽軋制量比貝氏體球鐵軋輥提高2倍以上；用于預切分機架時，單槽軋制量比貝氏體球鐵軋輥提高2.5倍以上。使用本發明軋輥，減少了軋鋼生產中的換槽、換輥次數，延長了軋制時間，增加了軋材產量，降低了軋材生產成本，提高了軋材表面質量，減輕了工人勞動強度，增加了產品市場竟爭力。推廣使用本發明軋輥，具有顯著的經濟和社會效益。權利要求1、一種高硼鑄造合金軋輥，其特征在于，所述的軋輥外層采用高硼鑄造合金，軋輥輥芯采用球墨鑄鐵，外層和輥芯通過離心復合鑄造方法成形；外層的化學組成及其質量百分含量％為C0.8～1.5、B1.0～2.8、Cr8.0～10.0、W1.5～3.0、Ti0.6～1.2、N0.08～0.15、Ce0.08～0.18，Si0.3～0.8，Mn0.4～0.8，S＜0.04，P＜0.05，余量為Fe，其中2.2≤B+C≤3.7。2、根據權利要求1所述的一種高硼鑄造合金軋輥的制造方法，其特征在于，包括以下步驟①將普通廢鋼、鉻鐵、生鐵和鴒鐵混合加熱熔化，鋼水熔清后加入硅鐵和錳鐵；②爐前調整成分合格后，將溫度升至1520~155(TC,加入占上述鋼水質量0.08~0.12%的鋁脫氧，而后依次加入鈦鐵和硼鐵，當鋼水溫度達到1560158(TC時出爐；③將鈰基稀土和含氮鉻鐵破碎至粒度8~15mm的小塊，經160~200。C烘干后，置于澆包底部，用包內沖入法對鋼水進行復合變質處理；④用離心鑄造機澆注軋輥外層，外層鋼水澆注溫度為1440~1460°C,當軋輥外層完全凝固，且軋輥外層內表面溫度低于固相線溫度8~18。C時，澆注輥芯球墨鑄鐵，輥芯球鐵澆注溫度為1340~1370°C;⑤軋輥澆注12~24小時后拆箱，然后置于緩冷坑，冷卻至室溫后切割澆冒口，清理殘根、飛邊、毛刺后粗加工；將粗加工后的軋輥加熱至980~1050°C，保溫4~10小時后風冷至200。C以下，隨后繼續加熱至25028(TC,保溫8~12小時，然后爐冷至150。C以下，繼續空冷至室溫后，精加工至規定尺寸和精度。全文摘要一種高硼鑄造合金軋輥及其制造方法屬于軋鋼
技術領域：
。本發明的目的在于提供一種耐磨性好，成本低的高硼鑄造合金軋輥。本發明軋輥外層組成(質量分數，％)為C0.8～1.5、B1.0～2.8、Cr8.0～10.0、W1.5～3.0、Ti0.6～1.2、N0.08～0.15、Ce0.08～0.18，Si0.3～0.8，Mn0.4～0.8，S＜0.04，P＜0.05，余量為Fe，其中2.2≤B+C≤3.7；輥芯采用球墨鑄鐵；外層和輥芯通過離心復合鑄造方法成形。本發明通過電爐熔煉、離心鑄造、粗加工、硬化熱處理、回火和精加工，制得硬度和強度高，韌性、耐磨性和抗熱疲勞性能好，且成本低的高硼鑄造合金軋輥。文檔編號B22D19/16GK101549356SQ200910081429公開日2009年10月7日申請日期2009年4月3日優先權日2009年4月3日發明者符寒光,邢建東,雷永平申請人:北京工業大學